Les chimistes de NUS ont découvert que les états liés des "trous" (l'absence d'un électron qui conduit à une charge positive nette) dans le phosphore noir passe d'une ellipse étendue à une forme d'haltère lorsqu'il est excité électriquement, fournissant de nouvelles perspectives pour son utilisation dans les appareils électroniques de prochaine génération.

Phosphore, un élément hautement réactif, peut exister sous une forme cristalline stable connue sous le nom de phosphore noir (BP). Le BP est en train de devenir un matériau bidimensionnel (2D) potentiel pour le développement d'une nouvelle génération de dispositifs électroniques dotés de transistors plus rapides que ceux d'aujourd'hui. Cela est dû à sa capacité à avoir une bande interdite directe réglable (pour agir comme un commutateur), mobilité élevée des porteurs (pour transporter des charges à grande vitesse) et propriétés anisotropes dans le plan exceptionnelles (pour contrôler les propriétés conductrices le long d'une orientation cristalline spécifique).

Comme les défauts natifs et les impuretés introduits lors de la synthèse et du traitement du BP affectent ses propriétés matérielles et les caractéristiques de l'appareil, il est important de mieux comprendre ces effets au niveau atomique, afin de développer des appareils avec de meilleures performances.

Une équipe dirigée par le professeur LU Jiong du Département de chimie, NUS a découvert que lorsque BP passe d'un état fondamental non excité à un état excité, la forme spatiale de ses états de trous liés évolue d'une forme elliptique étendue à une forme d'haltère. Un état lié fait référence à la tendance d'une particule à rester localisée dans une région spécifique lorsqu'elle est soumise à un champ potentiel. En BP, chaque trou interagit et orbite autour du noyau chargé négativement, former des états de trous liés. Ceci est analogue au modèle de Bohr pour l'atome d'hydrogène, dans lequel l'électron unique encercle le noyau atomique. L'équipe a fait cette découverte en utilisant la microscopie à effet tunnel à basse température (STM), une technique d'imagerie à résolution atomique, et l'a fait fonctionner à 4,5 kelvins pour sonder la surface du matériau. A si basse température, la pointe STM peut être positionnée sur des défauts individuels avec une dérive ultra-faible qui est nécessaire pour obtenir des mesures stables. Leurs résultats fournissent une image générique de la structure spatiale et des propriétés électroniques des états liés près des dopants peu profonds (qui nécessitent peu d'énergie pour produire des porteurs libres) dans BP.

Le professeur Lu a dit, "L'état de trou lié non excité (1s) présente une forme elliptique anisotrope, en contraste frappant avec la forme orbitale 1s symétrique de l'atome d'hydrogène. La forme spatiale résulte du fait que les états des trous liés sont fortement étendus le long d'une orientation cristalline tout en étant comprimés le long d'une autre orientation cristalline. Notre étude capture directement les comportements anisotropes des porteurs de trous individuels dans BP, offrant des informations atomiques sans précédent sur l'anisotropie de transport à haute mobilité des transistors BP".

"Nous avons également démontré que l'état de charge des accepteurs individuels peut être commuté de manière réversible à l'aide de la pointe STM. La capacité de manipuler les états de charge des dopants individuels peut permettre la réalisation d'un qubit basé sur la charge et le développement ultérieur de dispositifs quantiques, " a ajouté le professeur Lu.